材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)期末試題

1、實(shí)用文檔材料科學(xué)基礎(chǔ)試卷一、填空題 (20 分，每空格 1 分)1. 相律是在完全平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的相數(shù)、組元數(shù)和溫度壓力之間的關(guān)系，是系統(tǒng)的平衡條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式：f=c-p+22. 二元系相圖是表示合金系中合金的相 與 溫度、成分 間關(guān)系的圖解。3. 晶體的空間點(diǎn)陣分屬于7大晶系，其中正方晶系點(diǎn)陣常數(shù)的特點(diǎn)為a=b c,=90°，請(qǐng)列舉除立方和正方晶系外其他任意三種晶系的名稱三斜、單斜、六方、菱方、正交（任選三種）。4. 合金鑄錠的宏觀組織包括表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和 中心等軸晶區(qū) 三部分。5. 在常溫和低溫下， 金屬的塑性變形主要是通過(guò)滑移 的方式進(jìn)行的。 此外還有孿 生 和 扭折

2、等方式。6. 成分過(guò)冷區(qū)從小到大，其固溶體的生長(zhǎng)形態(tài)分別為平面狀，胞狀和 樹(shù)枝狀 。1. 原子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是：組元的化學(xué)勢(shì)梯度2. 凝固的熱力學(xué)條件為：過(guò)冷度3. 某金屬凝固時(shí)的形核功為g* ，其臨界晶核界面能為g，則 g* 和g 的關(guān)系為 g*=1/3g5. 金屬液體在凝固時(shí)產(chǎn)生臨界晶核半徑的大小主要取決于過(guò)冷度。6. 菲克第一定律表述了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的特征，即濃度不隨變化。7. 冷變形金屬加熱過(guò)程中發(fā)生回復(fù)的驅(qū)動(dòng)力是：冷變形過(guò)程中的存儲(chǔ)能9.合金鑄錠的缺陷可分為縮孔和偏析 兩種。二、判斷題（正確的打“”錯(cuò)誤的打“×”，每題 1 分，共 12 分）1. 體心立方結(jié)構(gòu)是原子的次密排結(jié)構(gòu)，其

3、致密度為0.74。（ × ）2. 同一種空間點(diǎn)陣可以有無(wú)限種晶體結(jié)構(gòu)，而不同的晶體結(jié)構(gòu)可以歸屬于同一種空間點(diǎn)陣。（ ）3. 結(jié)晶時(shí)凡能提高形核率、降低生長(zhǎng)率的因素，都能使晶粒細(xì)化。（ ）4. 合金液體在凝固形核時(shí)需要能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏。（ ）5. 小角度晶界的晶界能比大角度晶界的晶界能高。（ × ）6. 非均勻形核時(shí)晶核與基底之間的接觸角越大，其促進(jìn)非均勻形核的作用越大。（ × ）7. 固溶體合金液體在完全混合條件下凝固后產(chǎn)生的宏觀偏析較小。（ × ）8. 冷形變金屬在再結(jié)晶時(shí)可以亞晶合并、亞晶長(zhǎng)大和原晶界弓出三種方式形核。（ ）9. 動(dòng)態(tài)再結(jié)

4、晶是金屬材料在較高溫度進(jìn)行形變加工同時(shí)發(fā)生的再結(jié)晶、其形變硬化與再結(jié)晶軟化交替進(jìn)行。（ ）10. 金屬-非金屬型共晶具有粗糙-光滑型界面，所以它們多為樹(shù)枝狀、針狀或螺旋狀形態(tài)。（ ）11. 孿生變形的速度很快是因?yàn)榻饘僖詫\生方式變形時(shí)需要的臨界分切應(yīng)力小。（ × ）12. 相圖的相區(qū)接觸法則是相鄰相區(qū)相數(shù)差1。（ ） 三、簡(jiǎn)答題（ 28 分）1. 試述孿生和滑移的異同，比較它們?cè)谒苄赃^(guò)程中的作用。（ 10 分） 答：相同點(diǎn)：a. 宏觀上，都是切應(yīng)力作用下發(fā)生的剪切變形；（1 分）.b. 微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)另一部分的移動(dòng)過(guò)程；（1 分）

5、c. 不改變晶體結(jié)構(gòu)。（1 分）不同點(diǎn)：a. 晶體中的取向滑移：晶體中已滑移部分與未滑移部分的位向相同。孿生：已孿生部分和為孿生部分的位向不同，且兩者之間具有特定的位向關(guān)系。（1 分）b. 位移的量滑移：沿滑移方向上原子間距的整倍數(shù)，且在一個(gè)滑移面上的總位移較大。孿生：原子的位移小于孿生方向的原子間距，一般為孿生方向原子間距的1/n。（ 1 分）c. 變形方式滑移：不均勻切變孿生：均勻切變（ 1 分）d. 對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)滑移：對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)很大，即總變形量大。孿生：對(duì)晶體塑性變形有限，即總變形量小。（1 分）e. 變形應(yīng)力滑移：有確定的臨界分應(yīng)力。孿生：所需臨界分切應(yīng)力一般高于滑移所需的臨

6、界分切應(yīng)力。（1 分）f. 變形條件滑移：一般情況先發(fā)生滑移變形孿生：當(dāng)滑移變形難以進(jìn)行時(shí)，或晶體對(duì)稱性很低、變形溫度較低、加載速率較高時(shí)。g. 變形機(jī)制滑移：全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。孿生：不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。（1 分）2. 請(qǐng)簡(jiǎn)述擴(kuò)散的微觀機(jī)制有哪些？影響擴(kuò)散的因素又有哪些？（8 分）答：置換機(jī)制：包括空位機(jī)制和直接換位與環(huán)形換位機(jī)制，其中空位機(jī)制是主要機(jī)制，直接換位與環(huán)形換位機(jī)制需要的激活能很高，只有在高溫時(shí)才能出現(xiàn)。（2 分）間隙機(jī)制：包括間隙機(jī)制和填隙機(jī)制，其中間隙機(jī)制是主要機(jī)制。（2 分）影響擴(kuò)散的主要因素有：溫度（溫度約高，擴(kuò)散速度約快）；晶體結(jié)構(gòu)與類型（包括致密度、固溶度、各向異性等）

7、；晶體缺陷；化學(xué)成分（包括濃度、第三組元等）。（4 分）3. 簡(jiǎn)述材料強(qiáng)化的主要方法、原理及工藝實(shí)現(xiàn)途徑。(10 分)1. 答案：加工硬化：是隨變形使位錯(cuò)增殖而導(dǎo)致的硬化；(2 分)細(xì)晶強(qiáng)化：是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，尺寸減小，增大了位錯(cuò)連續(xù)滑移的阻力導(dǎo)致的 強(qiáng)化；同時(shí)由于滑移分散，也使塑性增大。該強(qiáng)化機(jī)制是唯一的同時(shí)增大強(qiáng)度和塑性的機(jī)制。彌散強(qiáng)化：又稱時(shí)效強(qiáng)化。是由于細(xì)小彌散的第二相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)化。包括切過(guò)機(jī)制和繞過(guò)機(jī)制。(2 分)復(fù)相強(qiáng)化：由于第二相的相對(duì)含量與基體處于同數(shù)量級(jí)是產(chǎn)生的強(qiáng)化機(jī)制。其強(qiáng)化程度取決于第二相的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)等，且如果第二相強(qiáng)度低于基體則不一定能

8、夠起到強(qiáng)化作用。(2 分)固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙。包括彈性交互作用、電交互作用和化學(xué)交互作用。(2 分)分析位錯(cuò)的增值機(jī)制。（5 分）2. 答：若某滑移面上有一段刃位錯(cuò)ab，它的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)釘住不能運(yùn)動(dòng)。（1 分）現(xiàn)沿位錯(cuò) b 方向加切應(yīng)力，使位錯(cuò)沿滑移面向前滑移運(yùn)動(dòng)，形成一閉合的位錯(cuò)環(huán)和位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一小段彎曲位錯(cuò)線。（ 2 分）只要外加應(yīng)力繼續(xù)作用，位錯(cuò)環(huán)便繼續(xù)向外擴(kuò)張，同時(shí)環(huán)內(nèi)的彎曲位錯(cuò)在線張力作用下又被拉直，恢復(fù)到原始狀態(tài)，并重復(fù)以前的運(yùn)動(dòng)，絡(luò)繹不絕地產(chǎn)生新的位錯(cuò)環(huán)，從而造成位錯(cuò)的增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀的滑移量。（2 分）請(qǐng)簡(jiǎn)述回復(fù)的機(jī)制及其驅(qū)動(dòng)力。答：低溫機(jī)制：空位

9、的消失； 中溫機(jī)制：對(duì)應(yīng)位錯(cuò)的滑移（重排、消失）高溫機(jī)制：對(duì)應(yīng)多邊化（位錯(cuò)的滑移攀移）；驅(qū)動(dòng)力：冷變形過(guò)程中的存儲(chǔ)能（主要是點(diǎn)陣畸變能）。1. 為什么滑移面和滑移方向往往是金屬晶體中原子排列最密的晶面和晶向。2. 什么是成分過(guò)冷？它對(duì)液固界面的形貌有何影響？3. 對(duì)于金屬金屬型共晶，決定其形貌是片狀或棒狀的因素是什么？1. 答案：因?yàn)樵用芏茸畲蟮木嫫涿骈g距最大，點(diǎn)陣阻力最小，因而容易沿著這些面發(fā)生滑移；滑移方向?yàn)樵用芏茸畲蟮姆较蚴怯捎谧蠲芘欧较蛏系脑娱g距最短，即位錯(cuò) b 最小。2. 答案：成分過(guò)冷：在合金的凝固過(guò)程中，由界面前沿液體中的實(shí)際溫度低于由溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時(shí)產(chǎn)生的過(guò)冷

10、稱為成分過(guò)冷。它對(duì)液固界面的形貌影響為：成分過(guò)冷由小到大，液固界面的形貌由平面狀過(guò)渡到胞狀再到樹(shù)枝狀。3 答案：主要取決于兩個(gè)因素：（1）兩相的體積分?jǐn)?shù)，如果有一相的體積分?jǐn)?shù)小于27%時(shí)，則形成棒狀共晶，否則形成片狀共晶；（3 分）（ 2）兩相之間的界面能，界面能小，則形成片狀共晶。一般情況下，當(dāng)兩相有固定的位向關(guān)系時(shí)則可能形成片狀共晶。四、作圖與計(jì)算題（ 40 分，每題 10 分）1、氧化鎂（ mgo）具有 nacl 型結(jié)構(gòu)，即具有o2- 離子的面心立方結(jié)構(gòu)。問(wèn)：（1）若其離子半徑rmg2=0.066nm，r 2o0.140nm，則其原子堆積密度為多少？（2）如果rmg2/r 2o0.41

11、，則原子堆積密度是否改變？2、某面心立方晶體的可動(dòng)滑移系為(11 1)、1 10 。（1） 請(qǐng)指出引起滑移的單位位錯(cuò)的柏氏矢量；（2） 若滑移由刃位錯(cuò)引起，試指出位錯(cuò)線的方向；（3） 請(qǐng)指出在（ 2）的情況下，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向；（4） 假設(shè)在該滑移系上作用一大小為0.7mpa的切應(yīng)力，試計(jì)算單位刃位錯(cuò)線受力的大小和方向（取點(diǎn)陣常數(shù)為a 0.2nm）。3. 畫出 fe-fe3c 相圖，并根據(jù) fe-fe3c相圖， (1) 分別求（ c)=2.11%，（c)=4.30%的二次滲碳體的析出量。 (2) 畫出（ c)=4.30%的冷卻曲線。4. 圖(a)為固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖的濃度三角形，其中三

12、元共晶點(diǎn)e的成分為 (a)=20%， (b)=30%， (c)=50%。圖(b)為某一溫度 (高于 te)的水平截面圖。問(wèn)：(1) a ， b 和 c 三組元的熔點(diǎn)誰(shuí)最低？(2) 若有一液態(tài)成分為 (a)=60%， (b)=15%， (c)=25%的合金 (其 b/c 成分比三元共晶合金相同)平衡凝固到室溫，試分析室溫平衡組織并畫出平衡冷卻曲線。(3) 計(jì)算該合金中共晶組織在鑄錠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。材料科學(xué)基礎(chǔ)試卷答案四、作圖與計(jì)算題（ 40 分，每題 10 分）1、氧化鎂（ mgo）具有 nacl 型結(jié)構(gòu)，即具有o2- 離子的面心立方結(jié)構(gòu)。問(wèn)：（1） 若其離子半徑rmg 2=0.066nm， ro

13、20.140nm，則其原子堆積密度為多少？（2） 如果rmg 2/ ro 20.41 ，則原子堆積密度是否改變？a答：（ 1）點(diǎn)陣常數(shù)2(rmg 2ro 2 )0.412nm（3 分）pf堆積密度3(r4mg 2a3ro2 )40.73（ 3 分）（2）堆積密度會(huì)改變，因?yàn)閜f 與兩異號(hào)離子半徑的比值有關(guān)。（ 4 分）2、某面心立方晶體的可動(dòng)滑移系為(11 1)、1 10 。（1） 請(qǐng)指出引起滑移的單位位錯(cuò)的柏氏矢量；（2） 若滑移由刃位錯(cuò)引起，試指出位錯(cuò)線的方向；（3） 請(qǐng)指出在（ 2）的情況下，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方向；（4） 假設(shè)在該滑移系上作用一大小為0.7mpa的切應(yīng)力，試計(jì)算單位刃位錯(cuò)線受

14、力的大小 （取點(diǎn)陣常數(shù)為 a0.2nm）。b答：（ 1）柏氏矢量：a 1 102；(2 分)（2）位錯(cuò)線方向： 112 ；(2 分)實(shí)用文檔（3） 位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向平行于柏氏矢量；(2 分)（4） fb9.89910 11 mn/ m(4 分)3.畫出 fe-fe3c 相圖，并根據(jù) fe-fe3c相圖， (1) 分別求（ c)=2.11%，（c)=4.30%的二次滲碳體的析出量。 (2) 畫出（ c)=4.30%的冷卻曲線。答案：（ 1） （ c)=2.11%時(shí)， fe3 c = 2.116.690.77 ×100%=22.6%（ 1 分）0.77（ c)=4.30%時(shí)，共晶中奧氏體的

15、量為：6.696.694.30 ×100%=52.18%（1 分）2.11則共晶中奧氏體可析出fe3 c 的量為： fe3c=52.18 ×2.116.690.770.77=11.8%（1 分） 或者先求（ c)=4.30%時(shí)鐵碳合金在共析反應(yīng)前的滲碳體的總量為（ fe3c）t= 4.36.690.770.77×100%=60%（ 1 分）然后從 （fe3c）t 中減去共晶中fe3c 的量，即得 fe3 c的量fe3 c =（4.36.690.770.774.36.692.112.11）× 100% =11.8%（1 分） (2)（ c)=4.30%的冷卻曲線（ 2 分）.fe 3cll+fe 3cfe3c+fe 3c4.圖(a)為固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖的濃度三角形，其中三元共晶點(diǎn)e的成分為 (a)=20%， (b)